循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式下鋼渣用于透水透氣型混凝土開(kāi)發(fā)

韋剛，徐克林

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院工業(yè)工程所

1 前言

21 世紀(jì)是循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)代，這是隨著自然資源的日益稀缺和匱乏，隨著工業(yè)化的不斷加深和發(fā)展，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，環(huán)保工作迫在眉睫，循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式顯得尤為重要。傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式是一種“資源、產(chǎn)品、消費(fèi)、污染物排放”的單向流動(dòng)，而循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式則是“資源、產(chǎn)品、消費(fèi)、回收利用、再生資源”的循環(huán)流動(dòng)過(guò)程，是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

隨著近年來(lái)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量的不斷提升，大量的鋼渣同時(shí)產(chǎn)生。鋼渣的堆放和處置給環(huán)境造成了污染，且土地資源被占用，不僅會(huì)給水體土壤和大氣等都帶來(lái)了嚴(yán)重的污染，甚至可能會(huì)威脅到人們的健康。如何將鋼渣實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，就給相關(guān)企業(yè)和政府部門(mén)帶來(lái)了難題和挑戰(zhàn)。因此，鋼渣的合理處置和可再生利用、變廢為寶就顯得尤為重要。

2 問(wèn)題的提出

長(zhǎng)期以來(lái)，普通混凝土的生產(chǎn)與使用帶來(lái)的嚴(yán)重污染已成為社會(huì)公認(rèn)。與生態(tài)環(huán)境的要求相比，普通混凝土的透水性、吸熱性和透氣性都較差。因此，透水、透氣型混凝土就值得重點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)。

鋼渣作為工業(yè)廢渣，成分具有不穩(wěn)定性，其制成的鋼渣相關(guān)制品質(zhì)量不穩(wěn)定。將其鋼渣進(jìn)行熱處理（1500℃ 以上）、并且快速的冷卻和固化，通過(guò)這樣的加工處理后，其化學(xué)特性和物理特性都與天然的資源極其相似了，并且穩(wěn)定性良好，硬度也比較高，鐵和渣易分離的優(yōu)點(diǎn)，可用于透水型混凝土等諸多領(lǐng)域和行業(yè)，成為了近幾年來(lái)建筑行業(yè)興起的一種綠色環(huán)保型混凝土。該種混凝土不僅具有透水性和透氣性，并且緩解了城市的“熱島效應(yīng)”和改善了大自然水體循環(huán)，因此，研究和開(kāi)發(fā)鋼渣透水混凝土市場(chǎng)前景非常廣闊。

3 問(wèn)題的研究

3.1 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

將鋼渣制成的混凝土與普通混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)行多次綜合分析：

（1）選用原材料和實(shí)驗(yàn)裝置

鋼渣采用滾筒法處理的1-3mm，3-5mm，5-10mm，10-20mm 的這四種型號(hào)的鋼渣來(lái)作為試驗(yàn)用品，制成的試驗(yàn)用品編號(hào)為 a、b、c、d。水泥采用標(biāo)號(hào)為 42.5 的普通硅酸鹽水泥。添加劑則選用 LDA 型增強(qiáng)劑。

采用自行設(shè)計(jì)的透水儀見(jiàn)圖 1。該試驗(yàn)用具為自制研發(fā)的透明玻璃儀器，尺寸為 160mm×160mm×300mm，上部開(kāi)放式敞開(kāi)，下部中間為φ85mm 的圓型孔。透水儀器的一側(cè)設(shè)置刻度線(xiàn)，間距為 50mm，試驗(yàn)時(shí)作為計(jì)量單位。

圖1 透水試驗(yàn)儀器示意圖

（2）試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前，將試品的垂直四周用密封材料密封嚴(yán)實(shí)，且不能漏水，水只能從試品的垂直方向的上表面進(jìn)行滲漏。在試品試驗(yàn)的時(shí)候，上表面用油性灰均勻覆蓋，然后將透水玻璃儀器放置于試品的上面，并將其壓緊油灰，便開(kāi)始向透水玻璃儀器中加自來(lái)水至刻度 150mm 以上。當(dāng)水面下降至150mm 時(shí)，則開(kāi)始計(jì)算時(shí)間，下降至 100mm 時(shí)，則計(jì)時(shí)結(jié)束。計(jì)算時(shí)間時(shí)采用秒表。

（3）計(jì)算方法

式（1）為計(jì)算公式。最終結(jié)果以三塊試樣的平均值表示（計(jì)算精確至 0.1mm/s）。

A=H/Δt （1）

式中：H——水位下降高度 50mm；Δt——水從 150mm降至 100mm 高度的持續(xù)時(shí)間，單位為秒（s）。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程分析

（1）骨料粒徑大小對(duì)透水系數(shù)的影響

試驗(yàn)表明，將四種鋼渣作為透水混凝土集料，在相同的條件下，a～d 隨著骨料粒徑的變大，透水系數(shù)也隨著變大。如當(dāng)水灰比為 0.21 時(shí)，1-3mm 型號(hào)的骨料透水混凝土和 10-20mm 型號(hào)的骨料透水混凝土的透水系數(shù)分別為 5.8mm/s 和13.2mm/s，兩者相差甚大，增幅很明顯。因?yàn)榘殡S著骨料粒徑的變大，空隙率也隨著變大，從而透水系數(shù)將增大。

（2）水灰比對(duì)透水系數(shù)的影響

試驗(yàn)表明，按照水灰比0.21、0.21、0.25、0.27、0.29、0.31分別制成鋼渣透水混凝土試驗(yàn)用品，分別測(cè)試其透水系數(shù)。則發(fā)現(xiàn)，各種透水混凝土的透水系數(shù)為 1-14mm/s。無(wú)論骨料粒徑大小，鋼渣透水混凝土的透水系數(shù)都會(huì)隨著水灰比的增大而減少，但是在水灰比為 0.21-0.25 之間時(shí)，透水系數(shù)的降幅不明顯，而水灰比從 0.27-0.31 時(shí)，透水系數(shù)則下降明顯。例如 b 透水混凝土，水灰比從 0.21 增加到了 0.25 時(shí)，其透水系數(shù)從 9.1mm/s 下降到了7.7mm/s，下降幅度為 15.4%；而水灰比從 0.27 增加到 0.31 時(shí)，透水系數(shù)則從 6.8mm/s下降到了 3.8mm/s，下降幅度則為 44.1%。其主要原因?yàn)樗冶鹊脑龃螅沟猛杆炷帘砻娴钠饾{變多，造成了表面堵塞，空隙率就下降。

（3）集灰比對(duì)透水系數(shù)的影響

集灰比是指鋼渣透水混凝土中鋼渣骨料與膠凝材料的比例，通過(guò)調(diào)整水泥的使用量來(lái)調(diào)整集灰比。研究表明，當(dāng)透水混凝土的集灰比達(dá)到 7.0 以上時(shí)，30 天抗折和抗壓強(qiáng)度則無(wú)法保證。故我們選擇集灰比為 7.0、6.0、5.0、4.0、3.0 這五種進(jìn)行試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著集灰比從 3.0 增加到 7.0，鋼渣透水混凝土的透水系數(shù)也隨之增加，其主要是由于集灰比例較小時(shí)，水泥的使用量相對(duì)較多，試品的強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)較大，但由于水泥漿包裹鋼渣顆粒存在著相對(duì)的過(guò)剩，使透水混凝土的空隙率降低，而透水系數(shù)也下降。另外，當(dāng)顆粒粒徑相對(duì)較小時(shí)，隨著集灰比的下降，則透水系數(shù)下降更加明顯，例如當(dāng)骨料粒徑為 3-5mm 時(shí)，集灰比由 7.0 下降到 3.0 時(shí)，透水系數(shù)則會(huì)由 9.6mm/s 下降到 1.2mm/s，降幅達(dá)到了 87.5%。

（4）外加劑混入量的多少對(duì)透水系數(shù)的影響

試驗(yàn)表明，外加劑混入量的多少對(duì)于鋼渣透水混凝土也有一定的影響，如：隨著外加劑混入量的增加，鋼渣透水混凝土的透水系數(shù)會(huì)有所下降，外加劑混入量減少，將有利于提高鋼渣透水混凝土的透水系數(shù)，但影響幅度很有限。

（5）其他因素對(duì)透水系數(shù)的影響

除了以上四個(gè)主要因素外，還有以下幾個(gè)因素也會(huì)對(duì)鋼渣透水混凝土的透水系數(shù)產(chǎn)生影響：

1）施工進(jìn)度的快慢、混凝土使用過(guò)程中攪拌的均勻程度、以及在使用時(shí)周邊環(huán)境都會(huì)對(duì)鋼渣透水混凝土的透水系數(shù)產(chǎn)生影響。

2）當(dāng)氣溫降低時(shí)，水的動(dòng)力粘滯系數(shù)就越大，透水系數(shù)就越小，我們以 10℃ 為標(biāo)準(zhǔn)，在溫度為 T 時(shí)的透水系數(shù)按式

（2）換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的透水系數(shù)。

K10=KTηT/η10 （2）

式中：K10 為水溫為 10℃ 時(shí)的透水系數(shù)/（cm·s-1）；ηT 為水溫為 T/℃ 時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)/（kPa·s）；KT 為水溫為 T/℃ 時(shí)的透水系數(shù)/（cm·s-1）；η20 為水溫為 10℃ 時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)/（kPa·s）；ηT 和η10 為常數(shù)值，參見(jiàn)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》。

3.3 分析結(jié)論

通過(guò)上述一系列試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：

（1）影響鋼渣混凝土透水系數(shù)及穩(wěn)定性的主要因素有集灰比、水灰比、骨料粒徑大小、外加劑混入量等因素。

（2）鋼渣透水混凝土的透水系數(shù)會(huì)隨著集灰比、骨料粒徑的變大而相應(yīng)變大；當(dāng)顆粒粒徑相對(duì)較小時(shí)，隨著集灰比的下降，透水系數(shù)會(huì)下降的更加明顯。

（3）鋼渣透水混凝土的透水系數(shù)會(huì)隨著水灰比的變大而相應(yīng)減少，但是在水灰比為 0.21-0.25 之間時(shí)，透水系數(shù)的降幅則會(huì)不明顯，當(dāng)水灰比從 0.27 增至 0.31 時(shí)，透水系數(shù)下降幅度會(huì)較為明顯。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，隨著外加劑混入量的增加透水系數(shù)會(huì)減少，但是總體影響哦幅度會(huì)非常有限。

（4）其它幾種因素也會(huì)對(duì)鋼渣透水混凝土的透水系數(shù)產(chǎn)生影響。

4 應(yīng)用成效

通過(guò)研究，鋼渣透水混凝土取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前主要應(yīng)用于有較高要求的透水、透氣相關(guān)環(huán)境工程和綠色公共工程。如：上海世博園道路、植物園路面、停車(chē)場(chǎng)以及體育場(chǎng)館等。通過(guò)設(shè)計(jì)和改進(jìn)，還可用于山體護(hù)坡、草坪地板、無(wú)土綠色植被種植、農(nóng)田水利等。

鋼渣生態(tài)透水混凝土的社會(huì)效益主要體現(xiàn)在生態(tài)和社會(huì)的和諧得到促進(jìn)。城市排水管網(wǎng)的壓力由于透水性在一定程度上得到的減緩，其低輻射和降低噪音的特性提高了人們的健康指數(shù)，同時(shí)，也緩解了城市“熱島效應(yīng)”， 緩解了工業(yè)發(fā)展給環(huán)境造成的壓力。因此，鋼渣開(kāi)發(fā)用于透水透氣型混凝土使鋼渣資源獲得了良好的循環(huán)再利用價(jià)值。

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